1976年7月27日夜，唐山地区爆发7.8级强烈地震，房屋倒塌，灾民无数。面对即将坍塌的危楼，丈夫方大强（张国强饰）和妻子李元妮（徐帆饰）都要去救被困的龙凤胎儿女方登（张子枫饰）、方达（张家骏饰）。危急时刻，方大强拦住了妻子，冲进去营救时不幸罹难。李元妮在震后发现，一双儿女被困在一块水泥板两端，若要营救，必然牺牲一方。情急之下，她做出了艰难选择——救弟弟。此事成为方登心中难以磨灭的隐痛。后来，她被军人王德清（陈道明饰）夫妇收养。高考后，方登（张静初饰）进入杭州医学院学习，并与研究生师兄杨志（陆毅饰）产生了感情……方达被救却断了胳膊，李元妮以无私的母爱抚养他成人。成年后的方达（李晨饰）去杭州闯荡，娶了媳妇小河（王子文饰），并干出了一番事业。32年后，这家人的命运却因为5·12汶川地震再次发生了交叠……

有史以来最严重的大地震撼动了南加州。不只把洛杉矶夷为平地，更让住在当地的所有人的生活为之天翻地覆。在整座城市试着在恐怖的地震再度来袭前重新恢复正常时，陌生人也必须担任起英雄的角色。

一场特大地震威胁着旧金山，一系列的前震在整个城市肆虐。现在，一支由应急服务和灾难专家组成的精英团队汇聚在预计的震中，不知疲倦地工作，在这座城市被毁灭之前尽可能多地拯救生命。

1976年7月28日，惨烈的大地震突袭唐山。一夜之间城市化作废墟，在文化宫担任教师的李元妮（陈小艺饰）的丈夫万大成（张涵予饰），而这个身心饱受创伤的母亲还要被迫作出痛苦抉择：孪生姐弟万登和万达只能救助一人。被母亲“放弃”的万登侥幸活命，谁知从此和母亲生离死别。解放军王德清（张国立饰）将万登收为养女，父女情深。另一边厢，元妮凭借一己之力艰苦生活，可是儿子不成器的表现让她忧伤不已，愈加思念那个生死未卜的女儿。时光流转，万登和万达两姐弟渐渐长大，共同经历着人生的苦辣酸甜。大地震留给他们的恰是永远无法抹灭的记忆和永远不能割舍的亲情羁绊……
本片根据华裔女作家张翎的中篇小说《余震》改编。